GPS 수신기 작동 방식

오늘날에는 상황이 훨씬 더 쉬워졌습니다. $100 미만의 가격 으로 언제든지 지구상의 현재 위치를 정확히 알려주는 주머니 크기의 가제트를 구입할 수 있습니다 . GPS 수신기와 깨끗한 하늘만 있다면 다시는 길을 잃지 않을 것입니다.

이 기사에서는 이 편리한 가이드가 이 놀라운 트릭을 어떻게 수행하는지 알아보겠습니다. 앞으로 보게 되겠지만, Global Positioning System은 방대하고 비싸며 많은 기술적 독창성을 필요로 하지만 작동하는 기본 개념은 매우 간단하고 직관적입니다.

사람들이 "GPS"에 대해 이야기할 때 일반적으로 GPS 수신기를 의미합니다 . 글로벌 포지셔닝 시스템 ( GPS는 ) 사실이다 별자리 (27) 지구 궤도의 위성 (연산 24 및 사례 하나가 실패 세 엑스트라). 미군은 이 위성 네트워크를 군사용 항법 시스템으로 개발 및 구현했지만 곧 다른 모든 사람에게 공개했습니다.

이 3,000~4,000파운드의 태양열 발전 위성은 각각 약 12,000마일(19,300km)의 속도로 지구를 한 바퀴 돌며 매일 두 번 완전한 회전을 합니다. 궤도는 지구상의 어느 곳에서나 하늘에서 최소한 4개의 위성이 "보이는" 수 있도록 배열되어 있습니다.

GPS 수신기의 역할은 이러한 위성 중 4개 이상을 찾고, 각각의 거리를 파악하고, 이 정보를 사용하여 자체 위치를 추론하는 것입니다. 이 작업은 삼각 측량 이라고 하는 간단한 수학적 원리를 기반으로 합니다 . 3차원 공간에서의 삼각측량은 약간 까다로울 수 있으므로 간단한 2차원 삼각측량에 대한 설명으로 시작하겠습니다.

 

내용물

1. 2차원 삼각측량
2. 3차원 삼각측량
3. GPS 계산
4. 차동 GPS

당신이 미국 어딘가에 있고 완전히 길을 잃었다고 상상해보십시오. 이유가 무엇이든 당신은 당신이 어디에 있는지 전혀 모릅니다. 당신은 친절한 현지인을 발견하고 "나는 어디에 있습니까?"라고 묻는다. "당신은 아이다호주 보이시에서 625마일 떨어져 있습니다."

이것은 훌륭하고 어려운 사실이지만 그 자체로는 특별히 유용하지 않습니다. 다음과 같이 반경이 625마일인 보이시 주변 원의 어느 곳에나 있을 수 있습니다.

당신은 다른 사람에게 당신이 어디에 있는지 물었고 그녀는 "당신은 미네소타 주 미니애폴리스에서 690마일 떨어져 있습니다."라고 말합니다. 이제 당신은 어딘가에 도착하고 있습니다. 이 정보를 Boise 정보와 결합하면 교차하는 두 개의 원이 있습니다. 이제 보이시에서 625마일, 미니애폴리스에서 690마일 떨어져 있는 경우 이 두 교차점 중 하나에 있어야 한다는 것을 알게 되었습니다.

세 번째 사람이 애리조나 주 투손에서 615마일 떨어져 있다고 말하면 세 번째 원이 이 지점 중 하나와만 교차하기 때문에 가능성 중 하나를 제거할 수 있습니다. 당신은 이제 당신이 어디에 있는지 정확히 알고 있습니다 -- 콜로라도 주 덴버 .

이 동일한 개념은 3차원 공간에서도 작동하지만 원이 아닌 구 를 다루고 있습니다. 다음 섹션에서는 이러한 유형의 삼각측량을 살펴보겠습니다.

기본적으로 3차원 삼각 측량은 2차원 삼각 측량과 크게 다르지 않지만 시각화하기가 조금 더 까다롭습니다. 모든 방향으로 진행되는 이전 예제의 반지름을 상상해 보십시오. 따라서 일련의 원 대신 일련의 구체를 얻습니다.

당신이 하늘의 위성 A로부터 10마일 떨어져 있다는 것을 안다면, 당신은 반경 10마일을 가진 거대한 가상 구의 표면 어디에나 있을 수 있습니다. 또한 위성 B에서 15마일 떨어져 있다는 것을 알고 있다면 첫 번째 구를 다른 더 큰 구와 겹칠 수 있습니다. 구체는 완벽한 원으로 교차합니다. 세 번째 위성까지의 거리를 알면 두 점에서 이 원과 교차하는 세 번째 구가 생깁니다.

지구 자체는 네 번째 구체의 역할을 할 수 있습니다. 가능한 두 점 중 하나만 실제로 행성 표면에 있으므로 우주에서 한 점을 제거할 수 있습니다. 그러나 수신기는 일반적으로 정확도를 높이고 정확한 고도 정보를 제공하기 위해 4개 이상의 위성을 찾습니다.

이 간단한 계산을 하기 위해 GPS 수신기는 다음 두 가지를 알아야 합니다.

GPS 수신기 는 GPS 위성의 고주파, 저전력 무선 신호 를 분석하여 이 두 가지를 모두 파악합니다 . 더 나은 장치에는 여러 수신기가 있으므로 여러 위성에서 동시에 신호를 수신할 수 있습니다.

전파 는 전자기 에너지로 빛의 속도로 이동합니다(진공 상태에서 초당 약 186,000마일, 초당 300,000km). 수신기는 신호가 도착하는 데 걸린 시간을 측정하여 신호가 이동한 거리를 파악할 수 있습니다. 다음 섹션에서는 수신기와 위성이 함께 작동하여 이 측정을 수행하는 방법을 살펴보겠습니다.

이전 페이지에서 우리는 GPS 수신기가 위성에서 수신기까지 신호의 이동 시간을 측정하여 GPS 위성까지의 거리를 계산하는 것을 보았습니다. 결과적으로 이것은 상당히 정교한 과정입니다.

특정 시간(자정이라고 가정해 봅시다)에 위성은 의사 난수 코드(pseudo-random code) 라고 하는 긴 디지털 패턴을 전송하기 시작 합니다 . 수신기는 정확히 자정에 동일한 디지털 패턴을 실행하기 시작합니다. 위성의 신호가 수신기에 도달하면 패턴의 전송이 수신기의 패턴 재생보다 약간 지연됩니다.

지연의 길이는 신호의 이동 시간과 같습니다. 수신기는 이 시간에 빛의 속도를 곱하여 신호가 이동한 거리를 결정합니다. 신호가 직선으로 이동한다고 가정하면 수신기에서 위성까지의 거리입니다.

이 측정을 수행하려면 수신기와 위성 모두 나노초까지 동기화할 수 있는 클록이 필요합니다. 동기화된 시계만을 사용하여 위성 위치 확인 시스템을 만들려면 모든 위성뿐만 아니라 수신기 자체에도 원자 시계 가 있어야 합니다. 그러나 원자 시계는 $50,000에서 $100,000 사이의 비용이 들기 때문에 일상적인 소비자가 사용하기에는 너무 비쌉니다.

Global Positioning System은 이 문제에 대한 영리하고 효과적인 솔루션을 제공합니다. 모든 위성에는 값 비싼 원자 시계가 포함되어 있지만 수신기 자체는 일반 석영 시계를 사용합니다., 지속적으로 재설정됩니다. 간단히 말해서 수신기는 4개 이상의 위성에서 들어오는 신호를 보고 자체적으로 부정확성을 측정합니다. 즉, 수신기가 사용할 수 있는 "현재 시간"에 대한 값은 하나만 있습니다. 시간 값이 정확하면 수신기가 수신하는 모든 신호가 공간의 단일 지점에 정렬됩니다. 그 시간 값은 모든 위성의 원자 시계가 유지하는 시간 값입니다. 그래서 수신기는 시계를 그 시간 값으로 설정하고 모든 위성의 모든 원자 시계가 가지고 있는 것과 동일한 시간 값을 갖습니다. GPS 수신기는 "무료로" 원자 시계 정확도를 얻습니다.

4개의 위치에 있는 위성까지의 거리를 측정하면 한 점에서 모두 교차하는 4개의 구를 그릴 수 있습니다. 세 개의 구체는 숫자가 너무 떨어져도 교차 하지만 잘못 측정한 경우 네 개의 구체는 한 지점에서 교차하지 않습니다. 수신기는 자체 내장 시계를 사용하여 모든 거리 측정을 수행하기 때문에 거리는 모두 비례적으로 정확하지 않습니다 .

수신기는 4개의 구가 한 지점에서 교차하도록 하는 필요한 조정을 쉽게 계산할 수 있습니다. 이를 기반으로 위성의 원자 시계와 동기화되도록 시계를 재설정합니다. 수신기는 켜져 있을 때마다 이 작업을 계속 수행하므로 위성의 값비싼 원자 시계만큼 정확합니다.

거리 정보가 유용하려면 수신기도 위성이 실제로 어디에 있는지 알아야 합니다. 위성이 매우 높고 예측 가능한 궤도를 이동하기 때문에 이것은 특별히 어렵지 않습니다. GPS 수신기는 단순히 주어진 시간에 모든 위성이 있어야 하는 위치를 알려주 는 달력 을 저장합니다 . 달이나 태양 의 인력과 같은 것들은 위성의 궤도를 아주 약간 변경하지만 국방부는 위성 신호의 일부로 정확한 위치를 지속적으로 모니터링하고 모든 GPS 수신기에 조정 사항을 전송합니다.

다음 섹션에서는 발생할 수 있는 오류를 살펴보고 GPS 수신기가 오류를 수정하는 방법을 살펴보겠습니다.

지금까지 우리는 GPS 수신기가 위치를 파악한 4개의 위성으로부터 수신한 정보를 기반으로 지구에서의 위치를 ​​계산하는 방법을 배웠습니다. 이 시스템은 꽤 잘 작동하지만 부정확성이 나타납니다. 우선 이 방법은 무선 신호가 일정한 속도(광속)로 대기를 통과할 것이라고 가정합니다. 사실, 지구의 대기는 특히 전리층과 대류권을 통과할 때 전자기 에너지를 다소 느리게 합니다. 지연은 지구상의 위치에 따라 달라지므로 이를 거리 계산에 정확하게 반영하기 어렵습니다. 무선 신호가 고층 빌딩 과 같은 큰 물체에서 반사될 때도 문제가 발생할 수 있습니다., 수신기에 위성이 실제보다 더 멀리 있다는 인상을 줍니다. 무엇보다도 위성은 때때로 잘못된 달력 데이터를 보내 자신의 위치를 ​​잘못 보고합니다.

차동 GPS (DGPS)는 이러한 오류를 수정하는 데 도움이 됩니다. 기본 아이디어는 위치가 알려진 고정 수신기 스테이션에서 GPS 부정확성을 측정하는 것입니다. 스테이션의 DGPS 하드웨어는 이미 자신의 위치를 ​​알고 있기 때문에 수신기의 부정확성을 쉽게 계산할 수 있습니다. 그런 다음 스테이션은 해당 지역에 대한 신호 보정 정보를 제공하여 해당 지역의 모든 DGPS 장착 수신기에 무선 신호를 브로드캐스트합니다. 일반적으로 이 수정 정보에 액세스하면 DGPS 수신기가 일반 수신기보다 훨씬 더 정확해집니다.

GPS 수신기의 가장 필수적인 기능은 지구에서 수신기의 위치를 ​​파악하기 위해 최소한 4개의 위성에서 전송된 정보를 수신하고 이러한 전송의 정보를 전자 연감의 정보와 결합하는 것입니다.

수신기가 이 계산을 수행하면 현재 위치의 위도, 경도 및 고도(또는 유사한 측정값)를 알려줄 수 있습니다. 탐색을 보다 사용자 친화적으로 만들기 위해 대부분의 수신기는 이 원시 데이터를 메모리에 저장된 지도 파일에 연결 합니다 .

수신기의 메모리에 저장된 지도를 사용하거나, 수신기를 메모리에 더 자세한 지도를 저장할 수 있는 컴퓨터에 연결 하거나, 단순히 해당 지역의 상세 지도를 구입하고 수신기의 위도 및 경도 판독값을 사용하여 길을 찾을 수 있습니다. 일부 수신기를 사용하면 상세 지도를 메모리에 다운로드하거나 플러그인 지도 카트리지로 상세 지도를 제공할 수 있습니다.

표준 GPS 수신기는 특정 위치의 지도에 위치할 뿐만 아니라 이동하는 동안 지도를 가로질러 경로를 추적합니다. 수신기를 켜둔 상태로 두면 GPS 위성과 지속적으로 통신하여 위치가 어떻게 변하는지 확인할 수 있습니다. 이 정보와 내장 시계를 통해 수신기는 다음과 같은 몇 가지 중요한 정보를 제공할 수 있습니다.

GPS 수신기 및 관련 주제에 대한 자세한 내용은 다음 링크를 확인하십시오.

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